(57)【要約】【課題】被覆複合材物品及び皮膜を施工する方法を提供する。【解決手段】本複合材物品（６４）は、被覆する前に少なくとも６００°Ｆの温度に耐えることができる高分子複合材であるのが好ましい。皮膜（６０）は、該皮膜（６０）の反射特性の結果としてより高い温度に対する耐性を与えるように選択することができる。加えて、皮膜（６０）は、電流を加えた時に所望の電気特性を備えるように選択することができる。例えば、電気抵抗性皮膜（６０）は、構成部品に氷結防止特性を与えることができ、特に航空機構成部品（６４）において有用なものとなる。従って、皮膜（６０）は、複合材構成部品（６４）に１つ又はそれ以上の有用な特性を与えるように選択することができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材構成部品（６４）に皮膜を形成するために、
高分子複合材航空機構成部品（６４）を供給するステップと、
前記構成部品上に皮膜混合物を施工するステップとを含む皮膜形成方法であって、
前記皮膜混合物が、アルミニウム、ベリリウム、金、銀、ロジウム、白金、或いはこれら金属の１つ又はそれ以上を含む合金から成る群から選択された金属ピグメントと、反射性皮膜混合物キャリヤとを含み、
前記施工するステップが、化学気相蒸着、物理気相蒸着及び電着から成る方法群から選択された方法によって達成され、
この皮膜形成方法は、前記施工した皮膜混合物を硬化させて前記構成部品（６４）上に皮膜（６０）を形成するステップをさらに含むことを特徴とする皮膜形成方法。
【請求項２】
前記供給した複合材構成部品（６０）が、ＰＭＲ、ＢＭＩ、ポリスルホン、ＡＦＲ７００、ＤＭＢＺ、ＨＦＢＺ、ＨＦＰＥ及びこれらの組合せから成る群から選択された複合材料で構成されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記構成部品（６０）の複合材料が、少なくとも６００°Ｆの作動温度への暴露に耐えることができることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記反射性皮膜（６０）が、約０．２ミクロン〜約２．０ミクロンの厚さを有することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記得られた皮膜（６０）が、約０．９よりも大きい光反射率を有することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記得られた皮膜（６０）が、少なくとも約１オーム／平方インチのシート抵抗を有することを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記硬化させるステップが、前記反射性皮膜混合物を施工した後に該反射性皮膜混合物を乾燥させるステップを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項８】
前記反射性皮膜混合物を乾燥させるステップが、前記混合物が周囲温度で約５分〜約６０分の範囲の時間にわたって溶媒を蒸発させるのを可能にすることによって達成されることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記金属ピグメントがアルミニウムを含み、前記施工するステップが、少なくとも１つのアルキルアルミニウムからの化学気相蒸着によって達成されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項１０】
前記アルキルアルミニウムが、トリ−ｓｅｃ−ブチル・アルミニウム、トリ−イソプロピル・アルミニウム、トリ−ｔ−ブチル・アルミニウム、混合ハロゲン化アルキルアルミニウム及びこれらの組合せから成る群から選択されることを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材物品の皮膜に関し、より具体的には、アルミニウムなどの金属の薄い皮膜で航空機に用いる複合材構成部品のような複合材構成部品を被覆する経済的かつ効果的な方法に関する。皮膜は、反射による放射熱の拒絶及び皮膜の電気抵抗特性による表面加熱のような有用な特性を複合材構成部品に与える。
【背景技術】
【０００２】
より高い温度がより大きい熱力学的効率をもたらすので、ガスタービンエンジンの作動温度を高める傾向が継続して行われている。ますます高くなる温度でエンジンを作動させる能力は、エンジンに使用する材料によって制限される。使用する金属、特に超合金及びチタンの作動温度の上昇を達成するために、様々な方法が用いられている。
【０００３】
航空機構造体における別の傾向は、軽量であるがそれでもなお構造的に十分である非金属複合材料を得ることである。その対をなす片方の金属構成部品よりも本来構造的に強くかつ軽い改良型の複合材料が開発されてきたが、複合材構成部品は、現在のところガスタービンエンジンの燃焼流路のような極端な高熱環境では使用することができない。
【０００４】
航空機構造体が直面する別の問題は、翼形部、エンジン吸気口、機体及びその他の外部表面が氷結する傾向にあることである。氷結は、航空機の重量が増えること並びに航空機及びその構成部品の空気力学的特性を妨げることによって性能を損なう。公知の氷結防止方法は、飛行前にグリコール及びその他の化学薬品を吹き付けることを含むが、このことは、深刻な環境破壊を引き起こす。他の方法は、特に軍用機において、高価な耐熱性高分子材料で構成した氷結防止通路を通して高温空気を流すことによる圧縮機吐出加熱を含む。そのような複合材を使用する圧縮機通路を構成する費用は非常に高価であり、より安価かつより低耐熱性の複合材の温度限界が、当技術分野ではこれ迄その使用を実施不能にしている。
【０００５】
上記の問題の結果として、皮膜は、航空機構成部品の設計及び作動への重要な貢献要素となってきた。例えば、耐熱性皮膜は、最新のガスタービンエンジンの温度性能を著しく増大させた。環境皮膜は、被覆航空機構成部品に対する腐食損傷を抑制し、構成部品が、そうでなければそのような環境が構成部品には不適当になっていた高温腐食性燃焼ガスのような苛酷な環境で作動することを可能にする。例えば、ボンディングコートとして働くＭＣｒＡＩＹなどの環境皮膜を覆う断熱層として機能させるために、セラミック断熱皮膜を設けることができる。別のタイプの皮膜は、入射放射熱の一部を反射して被覆物品に熱負荷を掛けないようにする光反射性材料の層である。このタイプの熱反射性及び熱拒絶性皮膜は、被保護物品の表面に付着させた金属又はセラミックで作ることができる。金属反射性皮膜は、蒸発又はスパッタリングのような低温法によって比較的平坦な複合材に対して施工されてきたが、そのような方法は、被覆複合材構成部品が１５０℃を超える温度に暴露された場合には役立たなかった。加えて、反射性皮膜は、小さい曲率半径を有する複合材表面に対しては、成功裏には施工されなかった。
【０００６】
複合材用の公知の皮膜の他の欠点は、それら皮膜を施工するのに比較的費用が掛かり、またその上に皮膜を被着させる下にある基体物品の特性に著しく悪影響を及ぼすことである。加えて、特に極度に湾曲した部品に公知の皮膜を均一に施工することは、皮膜装置の要件及び限界のために困難である。
【特許文献１】米国特許第３８４１７３７号
【特許文献２】米国特許第４２５６３７８号
【特許文献３】米国特許第４３５８５０７号
【特許文献４】米国特許第４７１１７９１号
【特許文献５】米国特許第４９２５２５９号
【特許文献６】米国特許第５１８５１７８号
【特許文献７】米国特許第５５０５８０５号
【特許文献８】米国特許第５５６５０５２号
【特許文献９】米国特許第５６９３３６８号
【特許文献１０】米国特許第５７６０９８１号
【特許文献１１】米国特許第５７６０９８１号
【特許文献１２】米国特許第５８２５５６５号
【特許文献１３】米国特許第５９３９２０１号
【特許文献１４】米国特許第５９９３９０８号
【特許文献１５】米国特許第６０２７０７５号
【特許文献１６】米国特許第６０６７１８９号
【特許文献１７】米国特許第６１０２３３３号
【特許文献１８】米国特許第６１２９３１４号
【特許文献１９】米国特許第６２０６５３１号
【特許文献２０】米国特許第６２５８７５８号
【特許文献２１】米国特許第６２６４１４４号
【特許文献２２】米国特許第６３３８４５５号
【特許文献２３】米国特許第６３５２６０１号
【特許文献２４】米国特許第６３６２１３５号
【特許文献２５】米国特許第６３６８６６５号
【特許文献２６】米国特許第６４０２０９３号
【特許文献２７】ＥＰＯ  ０  ５０７  １１３  Ａ１
【特許文献２８】ＰＣＴ  ＷＯ  ９０／００６３４
【特許文献２９】ＰＣＴ  ＷＯ  ９０／１１３８７
【特許文献３０】ＰＣＴ  ＷＯ  ９４／２６５９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
被覆複合材に高熱環境で作動するのに必要な特性を与えるのに容易かつ安価に使用することができ、かつその上に皮膜を施工する下にある基体複合材物品に悪影響を及ぼさない、複合材構造体に金属皮膜を施工する方法に対する必要性が存在する。
【０００８】
さらに、翼形部又はエンジン吸気口の加熱通路のような結防止特性を与える耐熱要素として被覆複合材構造体を使用するのを可能にする、複合材構造体に皮膜を施工する方法に対する必要性が存在する。
【０００９】
本発明は、これらの必要性を満たし、さらに関連する利点をもたらす。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、少なくとも６００°Ｆの作動温度への暴露に耐えることができるＰＭＲ（単量体反応物質の重合体）、ＢＭＩ（ビスマレイミド）、ＡＦＲ７００、ポリスルホン及びその他の耐熱性複合材の高分子複合材物品のような複合材基体物品に金属皮膜を施工する方法を提供する。本方法は、複合材構成部品を供給するステップと、化学気相蒸着によって構成部品上に光反射性及び／又は電気抵抗性皮膜組成物を被着させるステップとを含み、反射性皮膜組成物は、アルミニウム、白金、ベリリウム、金、銀又はロジウムから選択された１つ又はそれ以上の金属を含む。
【００１１】
本発明はさらに、皮膜が入射放射エネルギーを反射することによって物品の過度な加熱を防ぐのを助ける反射性被覆複合材物品を提供する。
【００１２】
本発明はさらに、複合材物品に電気抵抗性加熱表面皮膜を付与することによって該皮膜が所望の特性を備えた電気抵抗性被覆複合材物品を提供する。
【００１３】
本発明の他の特徴及び利点は、実施例によって本発明の原理を示す添付図面と関連させて行った、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の技術的範囲は、２つの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の皮膜を施工した構成部品は、少なくとも６００°Ｆの作動温度への露出に耐えることができる複合材、好ましくはＰＭＲ、ＢＭＩ、ポリスルホン、ＡＦＲ７００及びその他の何らかの高分子複合材のような高分子複合材を含む。反射性皮膜を施工することができる高分子複合材構成部品の好ましい実施例には、それに限定されないが、極度の熱放射への曝露を受ける排気ノズル、アフタバーナケーシング、燃焼器燃焼室及びその他のガスタービンエンジン流路部品が含まれる。
【００１５】
本発明の反射性皮膜組成物は、アルミニウム、ベリリウム、金、銀、ロジウム又はこれら金属の１つ又はそれ以上を含む合金から選択された金属を含むのが望ましい。皮膜組成物を施工した後に、得られた反射性皮膜は、０．９よりも大きい光反射率と約１オーム／平方インチ又はそれ以上のシート抵抗とを有する薄い光鏡面反射性かつ導電性フィルムの形態である。皮膜は、トリ−ｓｅｃ−ブチル・アルミニウム、トリ−イソプロピル・アルミニウム又はトリ−ｔ−ブチル・アルミニウムのようなアルキルアルミニウム、或いはジ−ｓ−ブチル塩化アルミニウムのような混合ハロゲン化アルキルアルミニウムからＣＶＤによって被着されたアルミニウムを含み、約２００〜３８０℃、好ましくは２７０〜３００℃の中間温度で施工されるのが好ましい。
【００１６】
第１の反射性の実施形態では、皮膜は、高価な金属の保護と下にある複合材構成部品の特性に悪影響を及ぼす皮膜の回避との両方を行うために、非常に薄い。反射性皮膜が薄いので、厚さによってその量を指定することが好ましい。反射性皮膜は、約２０００オングストローム（０．２ミクロン）から最大約２００００オングストローム（２ミクロン）までの量として存在するのが最も好ましい。
【００１７】
第２の電気抵抗加熱の実施形態では、電気抵抗性皮膜は、航空機を構成するのに有用なＰＭＲ、ＢＭＩ、ポリスルホン、ＡＦＲ７００及びその他の何らかの高分子複合材のような高分子材料に施工されるのが好ましい。複合材は、少なくとも６００°Ｆの作動温度への暴露に耐えることができるのが好ましい。高分子複合材料は、例えば航空機の翼形部、エンジン吸気口及び機体の氷結防止特性を必要とする複合材構造体であるのが最も好ましい。この実施形態では、抵抗性皮膜は同様に、高価な金属の保護と下にある複合材構成部品の特性に悪影響を及ぼす皮膜の回避との両方を行うために、非常に薄い。電気抵抗性皮膜は薄いので、厚さによってその量を指定することが好ましい。抵抗性皮膜は、約２０００オングストローム（０．２ミクロン）から最大約２００００オングストローム（２ミクロン）までの量として存在するのが最も好ましい。皮膜としてアルミニウムを使用することによって、適度な総抵抗が保証される。例えば、１オーム／平方インチの電気抵抗は、皮膜が３００℃でＣＶＤによってアルキルアルミニウムからＰＭＲ−１５複合材構成部品上に被着させたアルミニウムを含む場合に上記の皮膜厚さとして測定され、約１００Ｖで１００Ｗ／ｃｍ２の電力の散逸を可能にする。
【００１８】
構成部品の表面は、反射性皮膜混合物の施工に先だって前処理して、前処理した表面上に皮膜を直接分布させるようにするのが好ましい。前処理は、（ａ）構成部品表面を研磨すること及び（ｂ）アセトン、エタノール又はその他の溶剤で構成部品を洗浄することの１つ又はそれ以上を含む。前処理（ａ）及び（ｂ）は、指定した順序で両方を用いるのが最も好ましい。研磨してＲＡ１０又はそれ以上に滑らかな平滑度を有する鏡面を与えることを含むそのような皮膜の前処理により、０．９又はそれ以上の反射率に相応する表面を形成することができる。
【００１９】
被着方法は、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）であるのが好ましいが、物理気相蒸着法（ＰＶＤ）及び／又は電着法を使用することもできる。そのような蒸着方法は、特別なチャンバ又はその他のタイプの施工装置を必要とすることになる。次に図を参照すると、図１は、可変形態排気ノズル２２を備えたガスタービンエンジン２０の形態の航空機構成部品の正面図であり、この可変形態排気ノズルの一部分は、図２の断面図により詳細に示している。図１及び図２は、例示的な排気ノズル組立体を示すが、本発明は、それに限定はされないが、圧縮機吐出システム及び氷結防止組立体におけるもののようなあらゆる高分子複合材航空機部品又は組立体を含むあらゆる高分子複合材基体に適用可能である。排気ノズル２２は、排気ノズル収束フラップ２４及びその支持体２６と、排気ノズル収束シール２８及びその支持体３０とを含む。この構造体は、排気ノズル２２の全周の周りで延びる。排気ノズル収束フラップ２４は、排気ノズルの面積を制御可能に変更するように内向き及び外向きにピボット動し、また排気ノズル収束シール２８は、排気ノズルフラップ２４間の燃焼ガス漏洩を防止する。当技術分野では、このタイプ及びその他のタイプの可変形態排気ノズル２２の構造が公知であり、図１及び図２は、本発明の１つの適用に関する構造の要素のみを示している。
【００２０】
排気ノズル収束フラップ２４及び排気ノズル収束シール２８は、これらが排気ノズルの面積を減少させるように内向きにピボット動すると、可変形態排気ノズル２２を通って流れる高温燃焼ガスとの接触によって加熱される。通常の場合、排気ノズル収束フラップ２４及び排気ノズル収束シール２８の内向き表面は、本発明の熱拒絶皮膜がない場合にはしばしば１６００°Ｆもの高い温度に達する。本方法は、これら要素をそれぞれその内向き表面３２及び３４上に、エンジン作動時に下にある複合材の温度を低下させる熱反射性皮膜で被覆する方法を提供する。
【００２１】
図３は、熱反射性皮膜を施工する好ましい方法を示し、また図４（これは縮尺図ではない）は、皮膜６０のための基体６６として働く複合材構成部品６４の表面６２上に被着させたそのような熱反射性及び／又は電気抵抗性皮膜６０を示す。複合材構成部品６４は、符号４０のステップにおいて供給される。複合材構成部品６４は、排気ノズル収束フラップ２４又は排気ノズル収束シール２８のようなガスタービンエンジンの構成部品であるのが好ましい。複合材構成部品６４は、少なくとも６００°Ｆの作動温度への暴露に耐えることができるＰＭＲ、ＢＭＩ、ポリスルホン、ＡＦＲ７００、ＤＭＢＺ、ＨＦＢＺ、ＨＦＰＥ及び／又はその他の何らかの高分子複合材で作られるのが好ましい。そのような複合材は、当技術分野では公知である。好ましいＰＭＲはＰＭＲ−１５であるが、本方法は、ＰＭＲ−１５及び上記で述べた複合材以外のその他の複合材でも用いることができる。
【００２２】
構成部品６４の構成部品表面６２は、任意選択的であるが好ましくは、符号４２のステップにおいて脱脂のような前処理を受けて前処理済み構成部品表面を形成する。この前処理ステップ４２は、構成部品６４の以前の処理によると存在する可能性があったあらゆる材料を除去し、一般的には構成部品表面の研磨又は溶剤洗浄によって達成される。研磨は、商業的に入手可能なＳｃｏｔｃｈ  Ｂｒｉｔｅ（登録商標）パッドを備えたエアグラインダを用いて実施するのが好ましく、Ｓｃｏｔｃｈ  Ｂｒｉｔｅは、ミネソタ州セントポール所在のＭｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇの登録商標である。この研磨は、あらゆる既存の油汚れ、煤煙及びスケールを除去し、約１０よりも小さい表面Ｒａ値を生成するのが望ましい。実施するには比較的安価なステップである構成部品表面６２を脱脂する場合でさえ、本発明のこの実施形態の大きな利点の１つは、付加的費用がかかる構成部品表面６２の付加的前処理が、構成部品が約６００°Ｆを超える温度に曝されない場合には必要でないことである。
【００２３】
第１の反射性皮膜の実施形態では、構成部品が脱脂及び／又は研磨４２などによって前処理されると、その後反射性皮膜組成物は、符号４４のステップにおいて、構成部品表面６２上に直接被着される。反射性皮膜組成物は、アルミニウム、ベリリウム、白金、金、銀又はロジウムのような選択した金属の純粋な薄いフィルムを含むが、またこれら金属の何れかを含む合金とすることもできる。純アルミニウムが好ましい。適当なアルミニウム反射性皮膜試薬は、トリ−ｓｅｃ−ブチル・アルミニウムであるが、本発明の方法を用いてその他のアルミニウム含有試薬を使用することもできる。
【００２４】
化学気相蒸着を用いる場合には、皮膜組成物は、ＣＶＤ装置を用いて施工されて皮膜６０を形成する。ＣＶＤ装置は一般的に、ガス発生室、加熱炉及び真空による排出配管を含む。蒸着は、制御した条件で、すなわち温度及び低圧制御装置を備えたＣＶＤ蒸着装置内で実施される。蒸着は、構成部品６４の通路及び気孔内並びに構成部品６４の鋭角な湾曲表面６２上を含むあらゆる寸法又は形状の構成部品６４上に迅速かつ安価に容易に実施される。化学気相蒸着、又は気相アルミナイドのような他の蒸着は、高温でかつほとんどの場合特別な大気室又は装置内で実施される。この方法は、トリ−ｓｅｃ−ブチル・アルミニウム、トリ−イソプロピル・アルミニウム又はトリ−ｔ−ブチル・アルミニウムのようなアルキルアルミニウム、或いはジ−ｓ−ブチル塩化アルミニウムのような混合ハロゲン化アルキルアルミニウムからのＣＶＤによるものとし、かつ約２００〜３８０℃、好ましくは２７０〜３００℃の中間温度で施工されるのが好ましい。被着処理４４は、一層として皮膜組成物を施工することが好ましい。皮膜６０は、該皮膜６０の総量が厚さ約０．２〜２．０ミクロンの量として存在するような量で施工される。
【００２５】
ＣＶＤの大きな利点の１つは、ＣＶＤにより、航空機氷結防止システムの圧縮機吐出組立体内の空気加熱通路のようなプリフォーム形複合材部品内の内部通路の表面への被着が可能になることである。本発明以前には、そのような表面の極度に湾曲した性質並びにそのような構成部品の複合材の性質により、本発明以前のそのような通路の内部表面を成功裏に被覆することが妨げられていた。加えて、本発明によって形成された皮膜の電気抵抗は、被覆構成部品の表面を電気抵抗加熱素子として適したものにする。本発明以前には、加熱を必要とするＰＭＩ構成部品には、部品の均質性を犠牲にしまた性能及び所望の固有の特性を妥協させて、構成部品の高分子材料内に抵抗素子を組み込まなければならなかった。或いは、物品に近接させて抵抗素子を設け、複合材物品を通して熱を分散させて加熱対象の表面に達するようにすることを期待していた。従って、本発明の被覆複合材物品及び方法は、これらの従来技術の実施例に優る大きなかつ前例のない改良である。
【００２６】
符号４０のステップにおいて構成部品６４が供給されると、構成部品６４の構成部品表面６２は、任意選択的であるが好ましくは、符号４２のステップにおいて前処理されて、前処理済み構成部品表面を形成する。主として関心がある２つのタイプの前処理があり、これらの前処理は、独立して又は何らかの実施可能な組合せで両方を用いることができる。以下の説明により、図３に示した、すなわち最も好ましい前処理方法の順序で用いる３つの前処理全てを説明する。
【００２７】
前述した第１の前処理４２では、構成部品表面６２は、符号４２のステップにおいて研磨され、構成部品６４の以前の処理によると存在する可能性があったあらゆる材料を除去する。第２の前処理では、アセトン、エタノール又は他の揮発性溶剤を使用してのような溶剤洗浄が好ましい。粗面を有する複合材が供給された場合などのように必要な場合には、研磨するステップ４４を用いて表面６２から既存の汚染物質を除去することが好ましい。
【００２８】
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要件を本発明の教示に適合するように、多くの改良を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】可変形態排気ノズルを備えたガスタービンエンジンの正面図。
【図２】本発明による可変形態排気ノズルフラップ及びシール組立体を示す、図１のガスタービンエンジンの拡大略断面図。
【図３】本発明を実施する第１の方法のブロック流れ図。
【図４】本発明による被覆複合材構成部品の拡大断面図。
【符号の説明】
【００３０】
２０  ガスタービンエンジン
２２  排気ノズル
２４  フラップ
２６  支持体
２８  シール
３０  支持体
３２  表面
３４  表面
４０  構成部品を供給する
４２  構成部品表面を前処理する
４４  皮膜組成物を被着させる
４６  施工した皮膜を硬化させる
６０  皮膜
６２  表面
６４  構成部品
６６  基体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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